基于分层标监测的德州城区地面沉降分层沉降特征浅析

朱利民，沙志华，段晓飞，战静华，王明珠

(1.山东省地勘局第二水文地质工程地质大队，山东省鲁北地质工程勘察院，山东 德州 253072；2.枣庄市煤炭培训中心，山东 枣庄 277100)

0 引言

德州地面沉降监测始于20世纪80年代，截至2017年，基本建成了集空中、地表、地下多维立体相结合的地面沉降监测系统。2014年，山东省地勘局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘察院)建成了鲁西北平原地区首座分层标组，并持续开展监测至今[1]。该文总结了德州分层标施工工艺，对分层标监测结果进行了分析研究，定量分析了各地层因压缩变形引起的地面沉降量，为鲁西北平原区分层标组建设及地面沉降监测工作提供一定的借鉴。

1 地质条件

德州市在大地构造上属于华北板块的一部分，齐河-广饶大断裂将其分为两个二级构造单元，断裂之南为鲁西隆起区，其北为华北坳陷区。中新生代以来，受喜马拉雅运动与燕山运动的影响，断裂构造发育，形成凸凹相间的三级构造单元济阳坳陷区、临清坳陷区和鲁中隆起区[2-4]。在坳陷和隆起区内受断裂活动的影响和控制，形成了众多的次级构造单元—凸起与凹陷[5-8]。中生代以来，受燕山运动和喜马拉雅运动的影响，一直缓慢下降，沉积了巨厚的新生界，地层由老到新依次为：古近系、新近系、第四系。其中：古近系为湖相碎屑沉积岩，含石膏，厚度变化较大，沉积厚度1500～3000m以上；新近系厚度较稳定，为河湖相沉积，层底埋深1350～1650m；第四系平原组厚度稳定，为冲积、冲湖积、海积相沉积，层底埋深160～300m[9-10]。

根据德州一带地层的埋藏深度、岩性、成因类型、沉积年代、土的物理力学性质、水力特征和水理性质等，将埋深800m以浅的地层划分为8个含水层、9个压缩层和1个表土层(图2)。各压缩层、含水层划分宏观上以地层为界，原则上把砂层划为含水层，黏性土划为压缩层；砂性土视相邻地层岩性而定，以降低德州工程地质层的复杂程度为目的，相应地划入含水层及压缩层[11]。

1—古近系；2—侏罗-白垩系；3—石炭-二叠系；4—寒武-奥陶系；5—太古界；6—断裂构造；7—地层界线；8—单元代号图1 德州地质构造略图

1—含水层；2—压缩层；3—淤泥类土层；4—粉土层；5—粉质黏土层；6—砂层；7—水文地质工程地质界线；8—地层界线；9—咸淡水底界面图2 德州城区含水层、压缩层划分剖面图

2 分层标结构设计及施工工艺

2.1 分层标结构设计

分层标组位于德州市德州城区大学东路1499号。点位所在区域为鲁西北平原松散岩类水文地质区，鲁北冲海积平原岛状咸水水文地质亚区。含水层组划分自上而下为：第Ⅰ含水层组、第Ⅱ含水层组、第Ⅲ含水层组、第Ⅳ含水层组，最大层底埋深分别为60m，300m，500m及800m(1)山东科学技术出版社，山东省重大水文地质问题----理论技术创新与应用，2014年。。以含水层组划分为依据，展开对各个含水地层的沉降监测，故该次分层标组共设计施工4组分层标，标底埋深分别为2m，60m，300m，500m(图3)。

1—地面标；2—分层标组；3—分层标主、副标图3 德州分层标组埋深图

(1)地面标

主要由混凝土、钢管以及标点组成。底部用混凝土(混凝土标号为C25)浇筑，其上部固定177.8mm×1.30m套管，高出地面0.30m。上部设置测量标点，标点高出地面0.50m。混凝土顶部至地面设置套管予以维护(图4)。

1—地面监测装置；2—混凝土图4 C0地面标设计结构示意图

(2)机械标

C1标孔设计孔深60m，C2标孔设计孔深300m，C3标孔设计孔深500m。标孔施工时本着先深后浅的原则，故先施工C3标孔，再施工C2，C1，最后施工C0孔。具体工艺开孔钻头为Ф245 mm钻至终孔后，采用Ф450 mm钻头进行扩孔，扩孔结束后，循环泥浆清空孔内沉渣，下入标底，上接下入Ф139.7mm×6.98 mm石油套管做保护管；保护管下完后下入钻杆进行机械压标，压标结束后投放适量黏土球，之后下入Ф60.32mm×5mm标杆(标杆为油管)，每根标杆上安装四点式滚珠扶正器1个，防止标杆在保护管内倾斜，标底为插钎式标底，标底托盘规格为Ф108mm×30 mm带300 mm插钎的标底，下标结束后，投放黏土球，最后采用管外水泥固井，安装井口装置，C1，C2，C3标孔设计见图5。

1—标杆测点；2—标杆；3—滚轮扶正器；4—密封装置；5—保护管测点；6—保护管；7—黏土球；8—托盘；9—环形盖；10—黏土回填；11—回接头；12—插钎图5 C1，C2，C3标孔设计结构示意图

2.2 分层标施工工艺

(1)成孔：C3，C2，C1标孔开孔口径为Φ245mm钻头开孔终孔后进行校正孔深及电测井，二级扩孔口径为Φ450mm。

(2)下入标底、保护管：标底是由底插钎、环状托盘、内滑桶、伸缩杆、标底外护管、对接接头组成，相互连为一体与保护管相接。

保护管的作用是防止孔壁坍塌，对标杆起到保护和导正，使全部标杆不受地层中各种应力和地层压缩变形影响，保证标杆真实的反映被观测地层的变化，它直接承受土层各种不良的作用。保护管应具有比标杆大的强度、刚度和防腐蚀性，保证在地层中垂直，特别是管与管的丝扣牢固无损。由于保护管外壁在与地层接触中承受地层压力、土层变形应力及保护管自重的作用，在设计保护管材料、口径及结构类型时须考虑保护管受力状态。首先地面丈量排列保护管、检查标底是否伸缩自如。二次清孔至孔底无沉渣后将检查无误的标底、保护管依序下入孔内。下管过程中向管内注入清水以平衡管内外压力，严防管外泥浆渗入管内。C3，C2，C1标孔采用提吊法下入保护管，保护管间采用丝扣连接。

(3)压标：C3，C2，C1标孔保护管带标底下到位后，先用保护管自重把标底插钎底托盘预压目的层上端面，再将标底插钎压入目的层0.20～0.30m，投入适量黏土球卡住标底外伸缩管，而后下入压标钻具压住预压好的插钎，再上提保护管0.70m，孔口居中固定保护管。

(4)下标杆、安装扶正器：标杆是将观测的地层面机械式引伸至地面进行观测的导杆，由它反映标底底面的高程变化。要求标杆具有一定的刚度、强度，在保护管内保持垂直，标杆材料要耐锈蚀，能抵抗自重而不变形。

下标前丈量按序排列标杆，标底伸缩杆下端装有伸缩插钎，伸缩杆上端接有一公扣接头，母回接头连接Φ60.32mm标杆下端下入保护管内，下标杆离标底0.5～1m后，先用清水循环，将管内沉淀物洗干净，其下端的公扣接头与已下入的母扣接头回接。下标杆采用提吊法，标杆之间采用丝扣连接。安装扶正器，装扶正器的位置，扶正器是在保护管和标杆之间进行扶正的装置。标杆长度不超过其稳定的极限长度，可根据标杆稳定来计算，为保证标杆在保护管内的垂直，和自重作用下的半波弯曲问题，在每根标杆安装1个圆环式扶正器，

(5)投黏土球：C3，C2，C1标孔保护管带标底下到位压标及下标杆结束后，为防止护壁管下沉，向保护管与钻孔间环状孔隙投放黏土球，黏土球规格1～1.5cm，黏土球用量7.2m3，投放高度50m，采用人工慢投方法投放速度适中。

(6)固井：C3，C2，C1标孔黏土球投放结束后，利用外注浆管进行了冲孔换浆，换浆结束后注入水灰比0.5的水泥浆，进行管外固井，固井区间由孔内投放黏土球顶部至各标孔地面位置。

(7)地面标：按钢管基本水准标石结构形式。主要由混凝土、钢管以及标点组成，采用人工挖孔方法，做到孔底无虚土，露头为天然原状土。底部用混凝土(混凝土标号为C25)浇筑，其上部固定177.8mm×8.05mm套管1m作为保护管予以维护，保护管及标杆上部设标头。

(8)成标：标杆顶部安装主标头，长度100mm，测点采用不锈钢材质制作；顶端制成半球弧形。副标头：标点应固定在保护管上，保护盖应采用与保护管同径，并作防腐处理，副标头采用不锈钢制成，直径Ф20mm，长度150mm顶部制成半球弧形。

(9)分层标测头安装完成后，将井管与标杆之间上端加机油1～2m，安装井口保护装置。

3 分层标监测及分层沉降特征分析

3.1 分层标监测方法

测量技术要求按照《地面沉降水准测量规范(DZ0154-95)》和《中国地调局地面沉降监测技术要求(DD2006-02)》等相关标准进行[12]，满足一等水准测量精度要求。测量方法为几何水准测量，进行分层标相对沉降观测。虽然区域未建设基岩标，无法以基岩标为基准点进行沉降观测，但由于分层标组处在同一位置，各标之间间隔仅为4m，地质、水文地质、工程地质条件完全相同，引起沉降的构造因素、工程因素也相同，故以本组标桩中埋深最大的500m标作为主标(固定点)，测定分层标与主标之间的相对高差，也就准确监测出各分层标组的沉降量。监测观测使用美国天宝DiNi03数字水准仪№740309(仪器标称精度0.3mm)和条码式2m铟钢水准标尺(号码：№11113、№11108)，各项限差满足视距不等之差≤5.0m，基、辅高差之差≤0.4mm，两测回高差之差≤0.4mm，频率为1月/次。

3.2 分层沉降特征分析

山东省地质环境监测总站分别于2014年10月和2017年11月对德州市进行了二等水准测量，其中C0标组在此期间累计沉降量171mm，月沉降速率为4.5mm/月(表1)。杨亚宾等(2)山东省鲁北地质工程勘察院,德州市城市地质调查报告,2014年。、孙晓晓等(3)山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队,鲁西北平原区地下水开采诱发地面沉降机理及防控措施研究报告,2019年。研究指出，德州地区地面沉降影响因素分为：构造因素、工程因素、开采因素。构造因素中黄河下游地区有两个沉降中心，一个在郑州—原阳一带，另一个在黄河口一带，垂直形变速率均超过-3mm/a。因此，根据垂直形变差异性，现黄河河道沉降可分为：孟津宁嘴—兰考东坝头、兰考—惠民、惠民—河口三段。中间段上升，两头段下降。在上升河段，上升速率变化在1～2mm/a之间，基本与鲁西隆起缓慢上升相吻合；下降河段下降速率变化在-1mm/a～-3mm/a之间，基本与华北坳陷缓慢下降相对应。因此该文中德州城区因构造因素产生的垂直变形取3mm/a。根据建筑施工单位的测量数据，不考虑基坑降水对地面沉降的影响，区内工程建筑物荷载引起的地面累计沉降量为2～3mm/a，因此德州城区工程因素的影响取3mm/a。去除构造因素及工程因素影响，分析可知，分层标组所在区域2014—2017年因开采因素造成的沉降速率约为48mm/a。

为对应水准测量数据，选取分层标组测量数据(2014年12月—2017年11月)共7组，测量数据计算见表2。其中“监测数据”列为分层标实测监测数据，“相对沉降量”列为各点与G2点高差，即相对沉降量。

表1 分层标组所在区域累积沉降量(2014年10月—2017年11月)

表2 分层标组监测及相对沉降数据(m)

根据表2的计算结果，可进一步计算出各点以G2为起算点不同时期的累积沉降量(表3)。

表3 以G2为起算点各点累积沉降量统计(mm)

根据表2、表3的计算结果，可计算出60m以浅地层、60～300m地层、300～500m地层的沉降量，计算结果见表4。

根据表4计算结果可知德州城区60m以浅地层沉降速率1.67mm/a；60～300m地层沉降速率20mm/a；300～500m地层沉降速率18.33mm/a。去除构造因素及工程因素影响后，区域沉降速率为48.00mm/a，可知500m以深地层2014—2017年沉降速率为8.00mm/a(表5)。

表4 各层组分层沉降量统计(mm)

表5 分层沉降速率及占比

由以上数据可知，德州市60m以深地层沉降速率占总体速率的96.52%。在以冲积平原区为主要工程地质背景的德州地区，砂土黏土层交互出现，在特定含水层抽水后水位降低，而相邻隔水层由于渗透系数小，导致水流补给、越流补给不平衡或慢平衡，进而使得砂-黏交界面处存在负压区，促使黏土层产生额外的压缩，而在地下水不断开采过程中，这种“负压”效应会逐渐积累，使得黏土层在沉降滞后的同时，不断产生额外的压缩变形。由此可见，德州地区地下水尤其是中深层地下水的超采是导致地面沉降发生发展的主要因素[12-13]。

为进一步查明深层地下水超采与地面沉降之间的相关关系，选择位于分层标组南200m的深层地下水监测井监测数据开展水位变化与地面沉降相关关系研究。该监测井成井于2009年，成井深度428.00m，初始水位标高-74.00m，取水层位置自282.00m至410.00m，含水层厚度52.00m。因此，该监测井的水位变化情况可基本代表分层标组所在区域的深层地下水位变化情况。根据表6可知，该区域地下水水位标高自2015年6月开始基本维持在-85m～-92m之间，2017年12月水位标高升高至-58.56m。

将深层地下水水位标高与3组分层标的沉降数据进行比较(图6)可知，当水位标高稳定保持在-85m～-92m时期内，60～300m，300～500m地层保持着稳定的沉降速率。2016年12月以后，水位标高不断增大，地层沉降速率总体可见小幅度减小，但地面沉降仍在持续发育。

表6 分层标所在区域深层地下水水位标高统计(m)

图6 分层标组累计沉降量及地下水水位标高变化图

为进一步验证深层地下水超采与地面沉降之间的相关关系。根据区域深层地下水监测资料及地面沉降监测资料，绘制了德州市地下水降落漏斗与累计沉降量分布区图(图7)可知，截至2017年，深层地下水降落漏斗中心与地面沉降中心位置一致，均处于德州城区国棉厂一带，而且两者中心扩展范围和形状基本相似。由此可知，深层地下水的超量开采是区内地面沉降产生的一个主要因素。

因该区尚未建立800m分层标，无法准确获得第Ⅳ含水层地面沉降监测数据。根据其地下水开采量与第III含水层开采量进行对比，推算可知，500～800m层组地面沉降量约为6.50～7.20mm/a，因此800m以下地层(主要为馆陶组热储)因开采地下水引起的地面沉降速率约为0.8～1.50mm/a。相对于区域48.00mm/a的沉降速率，占比极小。

天津市地面沉降研究程度高且水文条件与德州地区类似，具有一定的可类比性。林黎，赵苏民等人发现开采天津市馆陶组热储在350～370万m3左右时，引起天津市馆陶组沉降量为4～6mm/a[14]；徐佳、解大可认为在开采量为342.9万m3时，开采天津市新近系明化镇组对中心市区地面沉降产生了3.8～4.5mm左右的沉降量[15]；张百鸣、金爱善通过比单位变形量法计算出，天津市馆陶组水位下降2.5m/a，在1800～2500m之间，每年沉降量6.65mm[16]。类比天津地区经验值，结合德州城区分层标监测结果可以得出，在现状开采条件下，第Ⅳ含水层组因开采地下水引起的沉降量为7.20mm/a，馆陶组热储因开采地下热水引起的沉降量为0.80～1.50mm/a，两者约占地面总沉降量的16.67%。地热资源开发利用并不是导致德州城区地面沉降发生发展的主要因素。

1—累计沉降量<200mm；2—累计沉降量200～400mm；3—累计沉降量400～600mm；4—累计沉降量600～800mm；5—累计沉降量800～1000mm；6—累计沉降量1000～1300mm；7—累计沉降量>1300mm；8—深层地下水降落漏斗；9—水位、开采量、沉降量关系分析点；10—等水位线(m)图7 德州市地面沉降累计沉降量与深层地下水降落漏斗分布图

根据德州城区深层地下水开采监测资料，500m以深地层中除开采第Ⅳ含水层外，馆陶组地热水开采量也十分大，可达1382.49m3/a(表7)。地热水开采量大但引起的地面沉降量与第Ⅲ含水层相比，在同样开采量条件下，引起的沉降量较小。

表7 不同含水层地下水开采资源量与沉降速率统计

4 结论

(1)德州分层标组能够有效地对4个层组的相对沉降量开展监测，特别是对分层标标底进行了改进，在伸缩杆底部加了外护下沉管，防止伸缩杆插入地层后来自横向地层摩阻，为确保标杆底部插钎无外力的影响单独纵向插进地层,更精确提供监测数据。可为鲁西北平原区分层标组建设提供一定借鉴。

(2)根据分层标监测数据计算分析可知，分层标所在地区60m以浅地层沉降速率1.67mm/a，占总沉降量的3.48%；60～300m地层沉降速率20mm/a，占总沉降量的41.67%；300～500m地层沉降速率18.33mm/a，占总沉降量的38.18%。500m以深地层沉降速率8.00mm/a，占总沉降量的16.67%。类比推算可知，第Ⅳ含水层组因开采地下水引起的沉降量为7.20mm/a，馆陶组热储因开采地下热水引起的沉降量为0.80～1.50mm/a。中深层地下水超采仍是德州城区地面沉降的主要影响因素。

(3)地热资源开发目前并不是影响德州城区地面沉降的发生发展的主要因素，若要取得更加准确科学的结论，必须建设完整的分层标组，对馆陶组及以上地层进行全面监测，取得长序列的监测数据后，可准确掌握第Ⅳ含水层、馆陶组热储层对地面沉降的贡献值。